廣西合山煤田淺埋煤層采空區(qū)塌陷機(jī)理數(shù)值分析

李遠(yuǎn)耀 唐朝暉 陳仁全

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)調(diào)查研究院，湖北 武漢 430074；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.中南勘察設(shè)計(jì)院(湖北)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430071)

廣西合山煤田淺埋煤層采空區(qū)塌陷機(jī)理數(shù)值分析

李遠(yuǎn)耀1唐朝暉2陳仁全3

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)調(diào)查研究院，湖北 武漢 430074；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.中南勘察設(shè)計(jì)院(湖北)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430071)

針對(duì)廣西合山煤田煤炭資源的枯竭，煤層開采引發(fā)的地面塌陷日益增多，地質(zhì)災(zāi)害問題突出的現(xiàn)狀，以煤田上塘礦區(qū)中南部的4個(gè)淺埋采空區(qū)為研究對(duì)象，在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，利用離散元法建立三維數(shù)值模型，進(jìn)行采空區(qū)頂板和地表的變形與應(yīng)力分析,探討了采空塌陷機(jī)理模式。分析結(jié)果表明：①采空區(qū)規(guī)模直接決定了地表變形程度，表土層厚度的影響作用是雙向的；②地表水平移動(dòng)極大值向下山方向偏移，下山方向頂板覆巖更易斷裂和垮落；③采空區(qū)上覆巖層發(fā)育“兩帶”，主要破壞形式為拉張破壞和剪切破壞；④淺埋采空塌陷的形成可歸納為開始、發(fā)展、貫通和穩(wěn)定4個(gè)階段，不同階段均有典型的變形和受力表征。

淺埋煤層 采空塌陷 離散元法 破壞機(jī)理

我國煤炭年產(chǎn)量已達(dá)36.6 億t，為國民經(jīng)濟(jì)的建設(shè)發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)。但同時(shí)，大規(guī)模的地下煤層開采形成了大面積采空區(qū)，造成的地質(zhì)環(huán)境問題也日益突出。其中，采空塌陷因影響范圍廣、突發(fā)性強(qiáng)，危害極大[1-4]。近年來，由于采空塌陷災(zāi)害的頻發(fā)，采空塌陷機(jī)理研究已引起工程界及學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注[5-7]。

在采空塌陷機(jī)理研究中，采空區(qū)上覆巖體的結(jié)構(gòu)形態(tài)及其變形破壞過程是關(guān)鍵。文獻(xiàn)[8]采用地壓理論解釋了采空區(qū)上覆巖層的力學(xué)作用機(jī)理和破壞特點(diǎn)，并利用極限破壞理論分析上覆巖層穩(wěn)定性，探討地表塌陷機(jī)理。同時(shí)，應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)研究塌陷機(jī)理也是當(dāng)前熱點(diǎn)之一：文獻(xiàn)[9]對(duì)北洺河鐵礦塌陷區(qū)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，通過模擬計(jì)算得出了塌陷區(qū)的預(yù)報(bào)信息；文獻(xiàn)[10]運(yùn)用 FLAC3D數(shù)值分析法，對(duì)4種不同形態(tài)尺寸采空區(qū)條件下的地表變形和巖移規(guī)律開展了數(shù)值研究；文獻(xiàn)[11]采用物理模型實(shí)驗(yàn)并結(jié)合UDEC模擬分析地下開挖圍巖變形，為采空地面塌陷模擬提供了很好的借鑒。

國內(nèi)外學(xué)者通過廣泛研究，取得了許多創(chuàng)新性的研究成果。但是，淺埋煤層采空區(qū)的地質(zhì)背景與我國北方地區(qū)深采煤田采空塌陷有一定區(qū)別，有關(guān)其形成機(jī)理的研究較少。為此，本研究以合山煤田上塘礦區(qū)4個(gè)淺埋煤層采空區(qū)為研究對(duì)象，在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，利用離散元法建立三維數(shù)值分析模型，開展采空區(qū)頂板和地表的變形與應(yīng)力分析，探討采空塌陷形成機(jī)理。研究結(jié)果對(duì)于采空塌陷災(zāi)害防治和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)工作具有實(shí)際價(jià)值，對(duì)完善和提高采空塌陷機(jī)理理論有借鑒意義。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

合山煤田所在廣西合山市，被譽(yù)為廣西百年煤都，含煤地層區(qū)域占全市面積的75%，采空塌陷區(qū)直接影響面積達(dá)45 km2，大多數(shù)塌陷集中發(fā)育于煤田西部的淺埋緩傾斜煤層采空區(qū)[12]。

合山煤田地處我國南方，雨水充沛，煤層頂板為灰?guī)r和硅質(zhì)灰?guī)r，上覆巖層以灰?guī)r、頁巖為主。上塘礦區(qū)位于合山煤田中南部，是煤田內(nèi)淺埋煤層主采區(qū)，平均采深小于150 m，主采煤層為上二疊統(tǒng)合山組3煤下層和4煤上層，目前已形成1.15 km2的采空區(qū)。該采空區(qū)直接頂為燧石灰?guī)r，上覆灰?guī)r、頁巖和較厚的松散土層，在內(nèi)外因素作用下，部分覆巖已出現(xiàn)極限受力狀態(tài)，近年來頻繁發(fā)生塌陷。區(qū)內(nèi)采空區(qū)面積大，單個(gè)塌陷規(guī)模大，且鄰近居民區(qū)，危害十分嚴(yán)重。

選取上塘礦區(qū)南部4個(gè)采空區(qū)(見圖1)為重點(diǎn)研究對(duì)象。該區(qū)構(gòu)造條件相對(duì)簡單，地形起伏程度不大，煤層平均采深82 m，煤層傾角2°～6°，主采煤層平均厚約4 m，煤層連續(xù)性較好，4個(gè)采空區(qū)面(1.25～3.23)×104m2，工作面長度100～160 m?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在3#采空區(qū)內(nèi)已發(fā)育有較大規(guī)模采空塌陷坑(見圖2)，離最近斜井井口僅約100 m。

2 離散元三維數(shù)值分析

2.1 三維數(shù)值建模

采用離散元法(3DEC)建立起三維數(shù)值模型(如圖3)，進(jìn)行數(shù)值分析。模型中巖石材料采用理想彈塑性模型，服從Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則，結(jié)構(gòu)面采用Coulomb 滑動(dòng)模型。根據(jù)上塘礦區(qū)典型地質(zhì)剖面和地質(zhì)勘查資料，通過巖土體試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并參考經(jīng)驗(yàn)值，綜合確定巖土體與結(jié)構(gòu)面的物理力學(xué)參數(shù)(見表1、表2)。三維數(shù)值模型尺寸為500 m ×500 m ×150 m，主采煤層總厚度4 m，煤層平均傾角4°，采深最淺82 m(+18 m水平)，最深117 m。考慮到堅(jiān)硬頂板的層面效應(yīng)和節(jié)理切割作用，根據(jù)探槽揭露的節(jié)理面統(tǒng)計(jì)結(jié)果，選取節(jié)理密度為20 m/條。

圖1 上塘礦區(qū)4處典型淺埋采空區(qū)分布Fig.1 The 4 mined-out areas in shallow seam of Shangtang mine

圖2 3#采空區(qū)內(nèi)的塌陷坑Fig.2 Collapse pit in goaf 3#

圖3 采空區(qū)三維數(shù)值計(jì)算模型Fig.3 Three-dimensional numerical calculation model①～⑥—巖層編號(hào)(見表1)

采空區(qū)大小根據(jù)井上下對(duì)照?qǐng)D的實(shí)際情況布設(shè)，模型底部和四周邊界條件為固定邊界。計(jì)算中考慮自重應(yīng)力作用，采空區(qū)形成時(shí)考慮初始平衡，用大小10 m的三角網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)格剖分。為開展定量分析，布置變形觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，沿采空區(qū)縱橫中軸線方向布置4條相互垂直的觀測(cè)線(見圖4)，每條測(cè)線上間隔25 m布置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，1條測(cè)線上有21個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，數(shù)值模型共84個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，模擬記錄的時(shí)步為100步。

表1 模型巖土體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physic-mechanical parameters of rock in model

表2 模型結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physic-mechanical parameters of structural plane in model

圖4 仿真監(jiān)測(cè)網(wǎng)布置Fig.4 The simulation monitoring network layout

2.2 地表垂直變形分析

地表垂直變形是煤層開采后，覆巖位移由下向上逐步發(fā)展到地表的結(jié)果。在采空區(qū)的地表變形中，垂直下沉變形危害最大。圖5～圖6的模擬結(jié)果顯示，1#采空區(qū)最大下沉量約0.601 m，2#采空區(qū)最大下沉量約0.159 m，3#采空區(qū)最大下沉量約0.359 m，4#采空區(qū)最大下沉量約1.310 m。在同一塌陷區(qū)，上山和下山方向沉陷曲線不對(duì)稱，最大下沉量點(diǎn)向下山方向偏移，采空區(qū)的影響范圍隨之往下山方向擴(kuò)展。

采空區(qū)面積最大的4#采空區(qū)地表垂直變形最大，1#采空區(qū)的塌陷下沉量大于面積小的3#采空區(qū)和2#采空區(qū)，2#采空區(qū)的平均豎直位移量最小。這表明在地質(zhì)條件相似情況下，采空區(qū)的規(guī)模決定了地表變形程度。采空區(qū)面積越大，地表變形范圍相對(duì)越大，因?yàn)閳?jiān)硬頂板包含的軟弱結(jié)構(gòu)面(如層理和節(jié)理面)越多，軟弱結(jié)構(gòu)面在上覆荷載作用的影響下，隨時(shí)間逐漸錯(cuò)動(dòng)垮落，并逐漸發(fā)展影響至地表。此外，4#采空區(qū)中上覆土層相對(duì)其他采區(qū)更厚，增加了頂板荷載。但在煤層采深未能影響到頂板斷裂和垮落時(shí)，表土層越厚反而能消解部分塌陷垂直變形的影響，土層越薄，地表下沉越容易表現(xiàn)出非均勻性和非正態(tài)性(見圖6)，從而貫穿地表形成塌陷。說明地表土層厚度對(duì)采空塌陷的影響作用是雙向的，應(yīng)根據(jù)頂板受力斷裂時(shí)的極限狀態(tài)判斷是否加速地表塌陷的形成。

圖5 采空區(qū)地表豎直下沉量云圖Fig.5 Vertical displacement nephogram of goaf surface

圖6 不同采空區(qū)地表下沉量曲線Fig.6 Vertical displacement curve of goaf surface◆—測(cè)線1(Z向)；■—測(cè)線2(Z向)； △—測(cè)線3(Z向)；●—測(cè)線4(Z向)

2.3 地表水平移動(dòng)分析

圖7～圖8的模擬結(jié)果顯示，在4個(gè)采空區(qū)中，地表水平位移量最大的是4#采空區(qū)測(cè)點(diǎn)2-17，沿上山方向(-x方向)的位移量可達(dá)0.372 m。位移量極值中最小的是2#采空區(qū)測(cè)點(diǎn)1-17，位移量僅為0.034 m。表明采空區(qū)范圍越大，引起的地表水平變形越大。在同一采空區(qū)，地表移動(dòng)方向均有一定的對(duì)稱性，說明在地質(zhì)和采礦條件相似情況下，在傾向剖面上地表移動(dòng)曲線基本對(duì)稱。水平移動(dòng)曲線均有正方向和負(fù)方向2個(gè)極值，采區(qū)面積越大則極值越大，極值點(diǎn)往往向下山方向偏移。但對(duì)于單個(gè)采空區(qū)，煤層下山方向的水平移動(dòng)極值比上山方向的極值要小。

圖7 采空區(qū)地表水平位移量云圖Fig.7 Horizontal displacement nephogram of goaf surface

圖8 不同采空地表水平位移量曲線Fig.8 Horizontal displacement curve of goaf surface◆—測(cè)線1(X向)；■—測(cè)線2(X向)； △—測(cè)線3(Y向)；●—測(cè)線4(Y向)

從剖面上看，4#采空區(qū)的頂板先斷裂，地表變形迅速，變化值較大，將最早貫穿至地表形成塌陷，表明地表水平移動(dòng)大小和速度可以判斷地下頂板斷裂的速度和強(qiáng)度。從平面上分析，SE70°為煤層傾向方向，在下山方向水平移動(dòng)幅度較大，出現(xiàn)拉裂變形更多，導(dǎo)致下山方向的頂板覆巖最先斷裂和垮落，因而潛在的地表塌陷會(huì)可能更早出現(xiàn)在下山方向，而不是出現(xiàn)在采空區(qū)中心。

3 采空塌陷破壞規(guī)律

3.1 地表水平影響范圍

在地表+0 m處，地表水平影響范圍最大的是4#采空區(qū)，下沉量最小的2#采空區(qū)，其地表水平影響范圍也最小(見圖5)。4#采空區(qū)水平影響范圍大，延伸到下山方向較遠(yuǎn)區(qū)域，其他塌陷區(qū)僅單獨(dú)影響某一局部范圍。在地表-18 m處，仍是采空區(qū)4的影響范圍最大(見圖9)，同樣影響到下山方向較遠(yuǎn)區(qū)域。同時(shí)，不同采空區(qū)的頂板下沉?xí)嗷ビ绊懀m然采區(qū)煤柱有一定阻隔作用，但頂板垮落引起的塌陷會(huì)影響至鄰區(qū)，隨著開采深度增加，頂板垮落影響的地表水平范圍將逐漸減小。

3.2 頂板垂直破壞特征

采空區(qū)一般先是頂板塌落，上覆巖層后逐漸形成裂隙，并發(fā)展至上覆土層，導(dǎo)致地表下沉；同時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)關(guān)鍵層頂板的突然垮落，上覆巖層無法形成平衡拱，直接切穿至地表形成切冒型塌陷。以測(cè)線2剖面為例，在垂向剖面上，采空區(qū)上覆巖層發(fā)育“兩帶”現(xiàn)象，即垮落帶和裂隙帶，煤層埋深較淺處出現(xiàn)彎沉帶的現(xiàn)象較少。

圖9 采空區(qū)地表-18 m下沉量云圖Fig.9 Vertical displacement nephogram of goaf surface -18 m

本區(qū)直接頂板為堅(jiān)硬但節(jié)理較發(fā)育的燧石灰?guī)r層，直接頂垮落引起上覆巖層裂隙迅速擴(kuò)大，影響至地表形成塌陷，表現(xiàn)出不連續(xù)變形的特征。有時(shí)在垮落帶和裂隙帶之間會(huì)短暫形成離層現(xiàn)象，離層在降雨作用下可能會(huì)迅速塌陷。采空區(qū)形成之后，頂板受豎直方向拉應(yīng)力作用，繼而出現(xiàn)彎沉甚至離層，頂板底部可能出現(xiàn)拉裂而垮落，剪應(yīng)力構(gòu)成應(yīng)力平衡拱形態(tài)，應(yīng)力拱跡線由頂板中部向兩側(cè)擴(kuò)展，在兩側(cè)煤壁集中表現(xiàn)(見圖10)。因此，淺埋采空區(qū)地表塌陷形成的最主要破壞形式是拉張破壞和剪切破壞。

圖10 采空區(qū)最大剪應(yīng)力云圖(測(cè)線2剖面)Fig.10 Maximum shear stress nephogram of the goaf(Line 2 section)

4 采空塌陷機(jī)理模式

根據(jù)離散元三維數(shù)值模擬結(jié)果，合山煤田淺埋緩傾斜煤層采空區(qū)塌陷的形成過程概括為4個(gè)階段：開始階段、發(fā)展階段、貫通階段和穩(wěn)定階段。4個(gè)階段分別存在不同的巖土體變形特征和受力特點(diǎn)，表現(xiàn)出不同的地表變形形狀和規(guī)模。

(1)開始階段：采空區(qū)形成，在上覆荷載作用下，頂板出現(xiàn)部分下沉，對(duì)上覆土層有一定擾動(dòng)，地表整體出現(xiàn)均勻、緩慢、連續(xù)的下沉變形，但相鄰采區(qū)直接的相互影響不大。

(2)發(fā)育階段：采空區(qū)頂板冒落帶和裂隙帶發(fā)育，覆巖或關(guān)鍵層逐漸斷裂垮落，影響到頂板一定高度，上下巖層之間相互分離，形成離層；此時(shí)堅(jiān)硬但相對(duì)完整頂板主要受到其底部拉應(yīng)力作用，出現(xiàn)拉裂或塊體脫離，冒落帶之上的裂隙帶開始發(fā)育。

(3)貫通階段：采空區(qū)塌陷基本貫通，覆巖斷裂垮落后形成完整的冒落帶，關(guān)鍵層全部斷裂垮落，裂隙帶已完全發(fā)育，此時(shí)壓力平衡拱達(dá)到極限狀態(tài)；在降雨或其他不利因素誘發(fā)下，頂板裂隙帶和彎沉帶可能突發(fā)貫通，形成塌陷坑。

(4)穩(wěn)定階段：采空區(qū)塌陷基本形成，地表變形程度逐漸減弱，其水平影響范圍仍會(huì)擴(kuò)展；上覆松散土層與碎石會(huì)逐步垮落填入坑內(nèi)，并不斷壓實(shí)，地表下沉變形減弱，但水平移動(dòng)在圍巖應(yīng)力釋放后有所增強(qiáng)。

5 結(jié) 論

(1)采空區(qū)規(guī)模直接決定地表變形程度，最大下沉量向下山方向偏移，表土層的對(duì)采空塌陷的形成作用是雙向的。

(2)水平移動(dòng)曲線有正、負(fù)方向2個(gè)極值，采區(qū)面積越大極值越大，極大值向下山方向偏移，下山方向地表水平移動(dòng)量較大，巖層更易拉裂破壞，頂板覆巖最先斷裂和垮落，塌陷中心點(diǎn)更易出現(xiàn)在下山方向。

(3)采空區(qū)塌陷的形成先是關(guān)鍵層頂板突然垮落，上覆巖層難以形成平衡拱，切穿至地表形成切冒型塌陷；采空區(qū)上覆巖層發(fā)育“兩帶”，塌陷形成最主要的破壞形式是拉張破壞和剪切破壞。

(4)合山煤田淺埋煤層采空區(qū)塌陷的形成可歸納為4個(gè)階段——開始階段、發(fā)展階段、貫通階段和穩(wěn)定階段，各階段均有其典型的變形和受力表征。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Numerical Analysis on the Mechanism of Mining Collapse in Shallow Seam of Heshan Coal Field，Guangxi

Li Yuanyao1Tang Zhaohui2Chen Renquan3

(1.InstituteofGeologicalSurvey，ChinaUniversityofGeosciences(Wuhan)，Wuhan430074，China；2.FacultyofEngineering，ChinaUniversityofGeosciences(Wuhan)，Wuhan430074，China；3.CentralSouthernGeotechnicalDesignInstitute(Hubei)Co.，Ltd.，Wuhan430071，China)

In view of depletion of coal resources，the increase of ground subsidence caused by mining and geological disasters up in Guangxi Heshan Coal Seam，four shallow goafs in south-central part of Shangtang Mine are listed as research object to analyze the deformation and stress of roof and surface in mined-out area by building the three-dimensional numerical model with discrete element method，based on field investigation. The mechanism model of mining subsidence is discussed. The results show that: ①The goaf scale directly determines the degree of surface deformation，and the influence of surface soil's thickness is double acting;② Maximum of horizontal surface movement shift to downhill，and roof rock at downhill more easily results in breakage and caving;③ "two zones" have developed at the goaf overburden，and its main failure mode are tensile failure and shear failure;④The formation of shallow mining collapse is summarized as four stages: beginning，development，perforation and stable. Each stage has its typical characterization of deformation and stress.

Shallow seam，Mining collapse，Discrete Element Method，F(xiàn)ailure mechanism

2013-12-01

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：41202247)，中央高校優(yōu)秀青年教師基金項(xiàng)目(編號(hào)：CUGL110203)。

李遠(yuǎn)耀( 1978—) ，男，博士，講師。

TD327

A

1001-1250(2014)-03-026-05